IV-Retamal-Chile-1

DESARROLLO DE UN MODELO EXPLÍCITO EN TEMPERATURA PARA LA ETAPA HIDROLÍTICA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA Cristina Retamal Reyes(1) Ingeniero Civil Bioquímico. Estudiante Magíster en Ciencias de la Ingeniería con Mención en Ingeniería Bioquímica. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Alessandra Heim Sbarbaro Estudiante Magíster en Ciencias de la Ingeniería con Mención en Ingeniería Bioquímica. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Dr. Marta Carballa Arcos Becaria Postdoctoral. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Dr. Gladys Vidal Saez Profesor asociado. Centro de Ciencias Ambientales EULA-Chile, Universidad de Concepción. Dr. Gonzalo Ruiz Filippi Profesor asociado. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Dr. Rolando Chamy Maggi Profesor titular. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Dirección (1): Escuela de Ingeniería Bioquímica -General Cruz 34 - Valparaíso - Chile - Tel.: (+56) 032-2273819 - Fax: (+56) 032-2273803 - E-mail: [email protected]. RESUMEN La digestión anaerobia es uno de los procesos más antiguos de tratamiento de aguas residuales que consta fundamentalmente de 3 etapas: hidrólisis, acidogénesis y metanogénesis. Generalmente, la metanogénesis es la etapa más lenta y, por tanto, la limitante del proceso; sin embargo, cuando hay presencia de sustratos complejos, la etapa limitante es la hidrólisis. Existe un gran número de factores que afectan la digestión anaerobia, entre los que destaca la temperatura, ya que se ha encontrado que la velocidad de hidrólisis es más lenta a temperaturas bajas. El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia de la temperatura sobre los parámetros cinéticos de los microorganismos mesófilos que intervienen en la etapa de hidrólisis, con el fin de obtener un modelo explícito en temperatura para la etapa hidrolítica de la digestión anaerobia. Para ello se realizaron ensayos discontinuos, usando almidón de papa como sustrato a 4 concentraciones iniciales diferentes (1-3 g/L). Las temperaturas estudiadas fueron 12, 22, 30, 37, 45 y 55°C y el inóculo utilizado (1 g SSV/L) proviene de un digestor mesófilo de lodos de mezcla completa de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas (La Farfana). Para la obtención de la constante de hidrólisis, se utilizó un modelo cinético de consumo de sustrato de primer orden, el cual plantea que la velocidad de hidrólisis está linealmente relacionada con la concentración de sustrato. Las constantes de hidrólisis obtenidas para las diferentes temperaturas son: 0,068 ± 0,023 h-1 (12ºC); 0,291 ± 0,063 h-1 (22ºC); 0,612 ± 0,057 h-1 (30ºC); 0,904 ± 0,097 h-1 (37ºC); 0,313 ± 0,038 h-1 (45ºC); 0,415 ± 0,063 h-1 (55ºC). Se observa que la constante de hidrólisis aumenta con la temperatura hasta alcanzar un valor máximo a 37ºC. Luego hay un decaimiento a 45°C y se aprecia un leve aumento a 55°C. Esto se plantea como un fenómeno interesante, sugiriendo el estudio de temperaturas superiores a 55°C para comprobar si existe otro valor óptimo. La dependencia de la temperatura para la etapa de hidrólisis se ajusta al modelo de Arrhenius hasta la temperatura óptima (37ºC); sin embargo, es necesario desarrollar un modelo para temperaturas superiores.

Palabras claves: almidón, digestión anaerobia, hidrólisis, modelación, temperatura.

INTRODUCCIÓN La digestión anaerobia es uno de los procesos más antiguos de tratamiento de aguas residuales. Entre sus ventajas destacan la baja producción de lodos (Bastone et al., 2002), la utilización de altas cargas orgánicas, la alta destrucción de patógenos y la producción de metano como fuente de energía (Gosh et al., 1975). El proceso de digestión anaerobia consta de 3 etapas fundamentales: hidrólisis, en donde se solubilizan compuestos de alto peso molecular; acidogénesis, donde se lleva a cabo la metabolización de monómeros a productos intermedios, fundamentalmente ácidos grasos volátiles (AGV); y metanogénesis, que corresponde a la transformación del acetato, dióxido de carbono e hidrógeno en el principal producto de la digestión anaerobia, metano. La metanogénesis, en relación con el resto de las etapas, es relativamente lenta, siendo generalmente considerada como la etapa limitante del proceso; sin embargo, cuando hay presencia de sustratos complejos, la etapa limitante es la hidrólisis. La hidrólisis de proteínas, lípidos e hidratos de carbono es realizada a través de enzimas sintetizadas por los microorganismos. Los mecanismos que se han propuesto para la hidrólisis son: a) los microorganismos secretan enzimas al medio líquido, y éstas se adsorben al sustrato para liberar un sustrato soluble (Jain et al., 1992); y b) los microorganismos se adhieren al sustrato, secretan enzimas en la vecindad del mismo y luego se benefician de los sustratos disueltos liberados (Vavilin et al., 1996). Ambos mecanismos requieren un contacto directo microorganismo-sustrato. La hidrólisis de proteínas es llevada a cabo por enzimas proteolíticas que generan una serie de α aminoácidos que ingresan posteriormente a la etapa de oxidación anaerobia. La hidrólisis de lípidos, en la que intervienen una serie de lipasas, genera glicerol, colina y ácidos grasos de cadena larga y la hidrólisis de carbohidratos, como el almidón, requiere de una compleja mezcla enzimática formada por α y β amilasas, glucoamilasas y glucanasas. Hay un gran número de factores que afectan la digestión anaerobia, tales como las características del agua residual a tratar y parámetros operacionales, como el tiempo de retención hidráulico (TRH), el tiempo de retención de sólidos (TRS), la temperatura, el pH y la concentración de sustratos, productos e inhibidores. La temperatura tiene un considerable impacto sobre parámetros físicos y biológicos. En la digestión anaerobia se encuentran definidos tres rangos de temperatura: psicrófilo (4-15°C), mesófilo (2040°C) y termófilo (> 45°C). Generalmente, los sistemas de tratamiento anaerobio son operados a rangos mesófilo y termófilo; sin embargo, se están realizando estudios para aplicar esta tecnología en rango psicrófilo intentando ser una solución alternativa para el tratamiento de las aguas residuales urbanas. Se ha encontrado que la velocidad de hidrólisis es más lenta en condiciones psicrófilas y, por lo tanto, la presencia de material complejo o particulado puede constituir un inconveniente en el proceso global de degradación anaerobia, provocando el deterioro de la biomasa por la acumulación de sólidos (Mahmoud et al., 2003). Cuando la concentración de enzima no es limitante, la dependencia de la temperatura para la etapa de hidrólisis ha sido modelada comúnmente mediante la ecuación de Arrhenius (1) en donde la velocidad de crecimiento aumenta exponencialmente con la temperatura hasta la temperatura óptima, seguido por un decaimiento exponencial si se excede la misma (Atkins, 1986).

⎛ Ea ⎞ k = k 0 exp⎜ − ⎟ (1) ⎝ RT ⎠

donde k es la constante de hidrólisis (h-1), k0 es la constante de Arrhenius (h-1), Ea es la energía de activación de la reacción (kJ/mol), R es la constante de los gases (8,32 J/mol·K) y T es la temperatura absoluta (K). Sin embargo, esta expresión se plantea como una ecuación empírica y no ha sido demostrada de forma precisa. Por lo tanto, es de un gran interés conocer los efectos de la temperatura sobre la etapa hidrolítica de la digestión anaerobia para un consorcio anaerobio mesófilo cuya temperatura óptima sería alrededor de 37°C, con el fin de encontrar las mejores condiciones de operación para la hidrólisis de material complejo o particulado.

El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia de la temperatura sobre los parámetros cinéticos de los microorganismos mesófilos que intervienen en la etapa de hidrólisis, con el fin de obtener un modelo explícito en temperatura para la etapa hidrolítica de la digestión anaerobia.

MATERIALES Y MÉTODOS Modelación de la etapa hidrolítica de la digestión anaerobia La etapa de hidrólisis es comúnmente modelada por una cinética de primer orden (Eastman y Ferguson, 1981), en donde la velocidad de hidrólisis está linealmente relacionada con la concentración de sustrato (2).

−

dS A = kh ⋅ S A dt

(2)

Donde SA es la concentración de sustrato polimérico o particulado (g/L) y kh es la constante de hidrólisis (h-1). Determinación de la constante de hidrólisis Resolviendo la ecuación cinética de primer orden (2), se obtiene:

ln

S0A = −k h ⋅ t SA

(3)

Representando ln S0A/SA frente al tiempo, se obtiene una recta cuya pendiente corresponde a la constante de hidrólisis. Condiciones experimentales Se realizaron experimentos a 6 condiciones de temperatura: 12, 22, 30, 37, 45 y 55°C, siguiendo un protocolo semejante al de la determinación de la actividad hidrolítica (Soto et al., 1993). Los ensayos se realizaron en botellas Schott de 310 mL con un volumen útil de 200 mL. Para cada ensayo se usó almidón de papa soluble (Loba Chemie) como sustrato con una concentración inicial entre 1 y 3 g/L. El medio de cultivo utilizado es el propuesto por Field et al. (1988). El inóculo utilizado (1 g SSV/L) proviene de un digestor mesófilo de lodos de mezcla completa de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas y, previamente, éste es lavado con agua para la eliminación de sólidos que pueden contener los distintos sustratos en estudio. Para mantener el pH constante en torno a 7 se utilizó tampón bicarbonato en una relación de 1,5 g de bicarbonato/g DQO. Se realiza una primera alimentación con una concentración inicial de almidón de 1 g/L común para todas las botellas y se incuban a la temperatura de medición. Cuando el almidón remanente alcanza un valor estable mínimo, se procede con la segunda alimentación. Para ello, se retiran las botellas del baño de incubación y se deja sedimentar el lodo. A continuación, se retira la mayor parte del sobrenadante y se procede con la segunda alimentación, en la que se agrega almidón en las concentraciones descritas en la Tabla 1. Finalmente, se vuelven a incubar las botellas a la temperatura de medición. Todos los ensayos fueron realizados por duplicado y se siguió el consumo de almidón en el tiempo. Tabla 1: Concentraciones de sustrato y tampón utilizadas. Botella Almidón inicial teórico (g/L) Bicarbonato de sodio (g/L) 1 1,0 1,50 2 1,5 2,25 3 2,0 3,00 4 3,0 4,50

Metodología analítica La concentración de almidón se obtiene de la diferencia entre la concentración de azúcares totales (Dubois et al., 1956) y la concentración de azúcares reductores (DNS modificado, Miller, 1959). Se midió el pH inicial y final por medio de un electrodo de pH y se determinó la concentración de biomasa en las botellas al final de cada experimento por medio de la determinación de los sólidos suspendidos volátiles (APHA, 1989). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cinéticas de consumo de almidón En la Figura 1 se presenta, a modo de ejemplo, el consumo de almidón en el tiempo a las diferentes temperaturas de estudio, para los ensayos con una concentración inicial d 1,5 g/L de almidón, los demás ensayos (1; 2 y 3 g/L) son análogos. 1,5

Almidón (g/L)

Almidón (g/L)

1,5

1,0

0,5

0,0

1,0

0,5

0,0

0

5

10

15

20

25

0

5

10

Tiempo (h) (a)

Alm idón (g/L)

Almidón (g/L)

20

25

1,5

1,5

1,0

0,5

0,0

1,0

0,5

0,0 0

5

10

15

20

25

0

Tiempo (h) (c)

5

10

15

20

25

Tiempo (h) (d) 1,5

Alm idón (g/L)

1,5

Almidón (g/L)

15

Tiempo (h) (b)

1,0

0,5

1,0 0,5 0,0

0,0 0

5

10

15

Tiempo (h) (e)

20

25

0

5

10

15

20

25

Tiempo (h) (f)

Figura 1: Consumo de almidón en el tiempo a diferentes temperaturas: 12°C (a), 22°C (b), 30°C (c), 37°C (d), 45°C (e) y 55°C (f). Concentración inicial de almidón: 1,5 g/L, aproximadamente.

Se puede observar que el tiempo de consumo de almidón varía con la temperatura. A 12°C, el almidón es consumido en aproximadamente 22 horas (Figura 1a), mientras que si se aumenta la temperatura a 22°C, el tiempo de consumo disminuye notablemente a 7 horas (Figura 1b). A 30 (Figura 1c) y 37°C (Figura 1d), el tiempo de consumo es aún menor (~4 h); sin embargo, cuando la temperatura aumenta a 45-55°C (Figuras 1e y 1d), el tiempo de consumo de almidón vuelve a aumentar hasta un valor aproximado de 6 horas. Constantes de hidrólisis a diferentes temperaturas En la Tabla 2 se muestran las constantes de hidrólisis de almidón (valor medio con su respectiva desviación estándar) determinadas para las distintas temperaturas de estudio, y la Figura 2 muestra la variación de la constante de hidrólisis con la temperatura. Tabla 2: Constantes de hidrólisis a diferentes temperaturas. Temperatura (K) Constante de hidrólisis (h-1) 285,15 0,068 ± 0,023 295,15 0,291 ± 0,063 303,15 0,612 ± 0,057 310,15 0,904 ± 0,097 318,15 0,313 ± 0,038 328,15 0,415 ± 0,063 Las correlaciones (R2) de la linealización de la ecuación cinética de primer orden son bastante altas (0,92-0,98) y las desviaciones estándar son bajas. Se observa que a medida que aumenta la temperatura de 12 a 37°C, el valor de la constante de hidrólisis es más alto, para luego disminuir a temperaturas de 45 y 55°C. Además, el valor de la constante de hidrólisis es mayor a 55 que a 45°C, hecho que podría presuponer una reactivación enzimática derivando en un nuevo óptimo sobre los 55°C o a la existencia de nuevas enzimas que posean actividad en condiciones termófilas. Otros estudios realizados sobre la hidrólisis de compuestos más difícilmente biodegradables (pan de trigo integral, hojas, corteza, cáscaras de naranja y hierba) arrojaron constantes de hidrólisis de 0,001-0,006 h-1 a 20°C, 0,004-0,011 h-1 a 30°C y 0,01-0,02 h-1 a 40°C (Veeken y Hamelers, 1999). Aunque estos valores son muy inferiores a los obtenidos en este estudio, se corrobora el hecho de que el valor óptimo se encuentra en torno a 37°C. Otro estudio (Poirrier, 2005) revela que la constante de hidrólisis de almidón es menor a 15°C (0,016 h-1) que a 37°C (0,133 h-1). Estos valores son notablemente inferiores a los obtenidos en este trabajo (0,070,90 h-1), hecho que puede estar relacionado con las características del inóculo utilizado.

1,2 1,0

k (h-1)

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 280

290

300

310

320

330

340

T (K)

Figura 2: Variación de la constante de hidrólisis con la temperatura.

Modelo cinético explícito en temperatura para la hidrólisis de almidón

El modelo propuesto para describir la influencia de la temperatura en la hidrólisis de almidón es el modelo de Arrhenius. Para comprobar si este modelo se ajusta a las constantes de hidrólisis determinadas experimentalmente a diferentes temperaturas se realizó una linealización de la ecuación 1. Así, representando ln k versus la temperatura se obtendría una recta cuya pendiente corresponde a Ea/R. En la Figura 3 se presenta la linealización de la ecuación de Arrhenius en el rango de temperatura entre 285,15 y 310,15 K. Los datos presentaron una buena correlación (R2: 0,9716) y el valor de la energía de activación obtenido es de 769,33 (kJ/mol). En el estudio realizado por Veeken y Hamelers (1999) para distintos compuestos particulados se obtuvo una energía de activación de 64 (kJ/mol), notoriamente menor a la obtenida en este trabajo.

0,5

ln (k (h-1))

0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 0,0032

0,0033

0,0034

0,0035

0,0036

1/T (K)

Figura 3: Gráfica de Arrhenius para la hidrólisis de almidón.

CONCLUSIONES Las principales conclusiones obtenidas de este trabajo son: - El consumo de almidón sigue una cinética de primer orden. - Los valores de las constantes de hidrólisis son más altos a medida que aumenta la temperatura de 12 a 37°C; sin embargo, a 45 y 55ºC, se obtienen valores menores. - El valor de la constante de hidrólisis es mayor a 55 que a 45ºC, hecho que puede ser debido a la existencia de un nuevo óptimo a temperaturas elevadas. - Se obtuvieron constantes de hidrólisis mayores a las obtenidas en otros estudios, probablemente debido a las características del inóculo utilizado, ya que éste procedía de un digestor de lodos, por lo que su capacidad hidrolítica es alta. - La influencia de la temperatura sobre la hidrólisis de almidón se ajusta bien al modelo de Arrhenius hasta la temperatura óptima de 37°C. - Es necesario estudiar más en profundidad el efecto de la temperatura entre 37 y 45°C y, además temperaturas mayores de 55°C para poder corroborar la existencia de otro óptimo.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue realizado gracias al apoyo de los proyectos Fondecyt N° 1060220 y N° 1050320.

REFERENCIAS 1. (APHA) AMERICAN PUBLIC HEATH ASSOCIATION. Standard Methods for the Examination of Waters and Wastewaters. 18th Edition. Washington DC: American Public Heath Association. 2. ATKINS, P.W. Physical Chemistry. 3rd ed. Oxford University, Oxford, ago. 1986. 3. BATSTONE, D., KELLER, J., ANGELIDAKI, I, KALYUZHYNI, S., PAVLOVSTATHIS, S., ROZZI, A., SANDERS, W., SIEGRISTH, H and VAVILIN, V. Anaerobic Digestion Model (ADM1) IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Model. Scientific and Technical Report 1, ago. 2002. 4. DUBOIS, M., GILLES, K.A., HAMILTON, J.K. and SMITH, F. Colorimetric method determination of sugar and related substances. Analytical Chemistry, v.177, n.2, p. 751-766, ago. 1956. 5. EASTMAN, J.A. and FERGUSON, J.F. Solubilization of particle organic-carbon during the acid phase of anaerobic digestion. Journal Water Pollution Control Federation, v.53, n.3, p. 352-366, ago. 1981. 6. FIELD, J., SIERRA, R., LETTINGA, G. Ensayos anaerobios. IV Seminario D.A.A.R. ValladolidDepuración anaerobia de aguas residuales, ago. 1988. 7. GHOSH, S., CONRAD, J.R. and KLASS, D.L. Anaerobic acidogenesis of wastewater sludge. Journal Water Pollution Control Federation, v.47, n.1, p. 30-45, ago. 1975. 8. JAIN, S., LALA., A.K., BATHIA., S.K and KUDCHADKER, A.P. Modelling of hydrolysis controlled anaerobic digestion. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, v.53, n.4, p.337-344, ago. 1992. 9. MAHMOUD, N., ZEEMAN, G., GIJZEN, H. and LETTINGA,G. Solids removal in upflow anaerobic reactors, a review. Bioresource Technology, v.90, n.1, p. 1-9, ago. 2003. 10. MILLER, G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry, v.31, n.3, p. 426-428, ago. 1959. 11. POIRRIER, P. Hidrólisis y acidificación psicrófila de moléculas complejas en sistemas anaerobios. Tesis PhD. Universidad de Santiago de Compostela, Departamento de Ingeniería Química, España, ago. 2005. 12. SOTO, M., MENDEZ. And LEMA, J.M. Methanogenic and non-methanogenic activity teststheorical basis and experimental set-up. Water Research, v.27, n.8, p. 1361-1376, ago. 1993. 13. VAVILIN, V.A., RYTOV, S.V and LOKSHINA, L.Y. A description of hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic matter. Bioresource Technology, v.56, n.2, p. 229237, ago. 1996. 14. VEEKEN, A. and HAMELERS, B. Effect of temperature on hydrolysis rates of selected biowaste components. Bioresource Technology, v.69, n.1, p. 249-254, ago. 1999.